Статьи

К списку статей

Характеристики изображения: контраст, динамический диапазон, резкость

Бытует мнение, что контраст для CCTV - это постоянно меняющаяся величина, которая зависит от множества случайных факторов - изменения освещенности в течение дня, смены дня и ночи, наличия дождя или снега. А поскольку все эти явления носят случайный характер, то и обращать внимание на контраст при проектировании систем видеонаблюдения не имеет никакого смысла. Такие высказывания, с одной стороны, справедливы, а с другой стороны - показывают, насколько узко в видеонаблюдении трактуется понятие контраста.
Помимо изменения контраста в окружающем нас пространстве, происходит его изменение и при передаче видеосигнала от объектива до монитора. Эти изменения совершенно не связаны с окружающим пространством, они целиком и полностью зависят от качества видеооборудования. Чем лучше оборудование, установленное в видеотракте, тем меньше искажается исходный контраст объекта и тем лучше изображение, которое мы видим на мониторе. Если мы хорошо представляем, что такое контраст и как его определить, то у нас не возникает проблем с определением резкости и динамического диапазона, любого элемента в видеотракте. В связи с этим все оборудование, предназначенное для работы с изображением, на протяжении многих десятилетий оценивается по тому, насколько оно искажает исходный контраст. В системах видеонаблюдения только в последние годы делаются попытки проводить такие оценки - правда, это действительно попытки, которые касаются только объективов и видеокамер.

Для того чтобы у читателей сложилось цельное представление, что такое контраст, с какими характеристиками изображения он связан, а также от чего зависит резкость изображения, и написана эта статья.
Прежде всего, отмечу, что контраст необходимо рассматривать только в совокупности с параметрами, которые напрямую связаны с ним, или их величина существенно влияет на величину контраста. К таким параметрам относятся динамический диапазон изображения и количество градаций яркости (в дальнейшем - градаций серого) или полутонов, которыми и создается изображение.
Что такое динамический диапазон изображения? В системах видеонаблюдения динамический диапазон конечного продукта (изображения) как параметр почти не используется, хотя динамический диапазон отдельных элементов тракта системы видеонаблюдения, например видеокамер, присутствует. Это приводит к тому, что при проектировании систем видеонаблюдения отсутствует возможность прогнозировать качество получаемого изображения, оперировать характеристиками изображения при проектировании, а следовательно, и управлять этим качеством при моделировании видеосистем. В связи с этим проектирование систем видеонаблюдения «ушло» от изображения и остановилось на самом примитивном, что есть в системах видеонаблюдения, - это рисование секторов наблюдения, ничем не отличающихся от секторов ИК-датчиков, используемых в охранной сигнализации.

Но поскольку мы взялись за контраст, то без динамического диапазона изображения нам не обойтись.
В CCTV изображение формируется на экране монитора. Для компьютерных систем, работающих под Windows, количество возможных цветов красного (R), или зеленого (G), или синего (B) находится в диапазоне от 0 до 255, т.е. составляет 16 миллионов цветов. Во всей этой цветовой палитре, когда R=G=B, появляется оттенок серого. Общее количество оттенков серого или градаций серого в цветовой палитре - 256. Если у нас режим экрана 65 536 цветов, то мы имеем уже 32 градации серого, а если изображение выводится в режиме экрана 256 цветов, то количество градаций серого может быть от 16 до 256 и зависит от используемой палитры, заложенной в Windows, или созданной программистами специально для решения поставленных задач. Это означает, что, кроме ярких и темных мест в изображении, еще имеется много промежуточных градаций так называемых полутонов, количество которых определяется выбранным режимом экрана. Наличие в изображении большего их количества делает его более художественным, живым, сочным и увеличивает разборчивость элементов изображения. Чем больше динамический диапазон изображения, тем большим количеством градаций серого оно создается. Причем для мультиэкрана цвета элементов изображения не соответствуют их реальному значению, а предопределены опять же палитрой Windows. Какая реально палитра используется в компьютерных системах видеонаблюдения, наверно, известно только программистам, создающим программное обеспечение.
В связи с этим, какое бы количество градаций серого ни присутствовало в изображении объекта, расположенного перед видеокамерой, все равно, пройдя через видеотракт, их количество на мониторе будет определяться выбранным режимом экрана.
Если для отображаемой на объекте сцены диапазон градаций серого выходит за пределы динамического диапазона монитора, то он (динамический диапазон) относительно реального изображения будет «сжат» до возможности монитора, а точнее - выбранного режима экрана.
Если видеокамера или любой элемент в видеотракте оцифровывает изображение с помощью АЦП, имеющего разрядность больше 8 бит, то количество градаций серого будет уменьшено до 8 бит путем приведения их к ближайшим значениям градаций серого монитора.
Динамический диапазон и контраст тесно связаны друг с другом, и на рисунке 1 представлен график, который поможет определить один из параметров зная другой. Этот график построен для 256 градаций серого при условии, что шумы на изображении отсутствуют.
Характеристики изображения: контраст, динамический диапазон, резкость
Но, рассуждая о градациях серого, которые способен передать монитор, не следует забывать и о том, что человеческое зрение имеет значительно меньший диапазон различимых градаций. В бытовом телевидении, по экспертным оценкам, его количество было определено, исходя из порога, при котором человек еще замечает разницу в двух соседних значениях серого. Поэтому количество градаций серого в результате экспертных оценок составляет величину от 80 до 130 при средней яркости свечения экрана 40 кандел /кв.м [1]. При увеличении яркости свечения экрана количество различимых градаций серого увеличивается.
Но в каком виде должен быть представлен динамический диапазон изображения? Правильнее было бы использовать динамический диапазон в уже устоявшихся значениях - децибелах (Дб). Но децибел отражает логарифм отношения напряжения или тока, и в зависимости от этого используется сомножитель при логарифме, равный 20 или 10 соответственно. Между изменяющимися значениями градаций серого на экране монитора вроде бы нет никаких изменений напряжения или тока. Однако существует пропорциональная зависимость изменения напряжения видеосигнала с изменением градаций серого на экране монитора, поэтому мне кажется возможным определять динамический диапазон изображения по формуле:

D = 20 lg (N max /N min ),
где: N min - минимальный уровень серого по шкале Windows (0 - 255);
N max - максимальный уровень серого по шкале Windows (0 - 255).
Используя эту зависимость, можно вычислить максимально возможный динамический диапазон черно-белого изображения, формируемого на экране компьютерного монитора, который равен 48,16 дБ. Напомню, что динамический диапазон сверху ограничен максимальным уровнем сигнала, а снизу - уровнем шума. В реальной картинке, которая выводится на монитор, на темных элементах изображения присутствуют и шумы, которые необходимо так же оценить и учесть. Поэтому правильнее за N min принимать среднеквадратический уровень шума.
Теперь немного о том, как практически определить динамический диапазон изображения, которое выводится на монитор. Для этого достаточно иметь градационный клин (рис. 2), на котором каждая градация серого отличается от соседней на lg2. Очень часто градационный клин называют «серой шкалой».
Если установить его перед видеокамерой, то на мониторе можно подсчитать, сколько градаций серого может передать видеотракт - объектив, видеокамера, монитор. Вот количество различимых градаций серого и будет характеризовать динамический диапазон, но в терминах Ф-стоп, широко применяемых в фотографии. Но это ориентировочное значение. Почему ориентировочное? Прежде всего, потому, что динамический диапазон определяется на линейной области динамической характеристики. Когда сверху и снизу динамическая характеристика начинает ограничиваться, то есть присутствует явная нелинейность, различать градации серого мы еще можем, но это уже не соответствует истинной динамике сигнала на линейной области. Мониторы на электронно-лучевых трубках фактически во всем диапазоне яркости имеют линейный закон, а вот в жидкокристаллических мониторах присутствует существенная нелинейность, которую необходимо учитывать при проектировании системы видеонаблюдения.

Для правильного определения динамического диапазона изображения по серой шкале существуют специальные программные продукты, которые отслеживают появление нелинейности в характеристике и выдают динамический диапазон изображения только линейной области. Из графика на рисунке 3 видно, что реальный динамический диапазон всегда будет меньше своего предельного значения - 48,16 дБ.
И еще раз хочу обратить ваше внимание на то, что мы говорим о динамическом диапазоне и о градациях яркости изображения, которое оператор видит на мониторе. Изменения на объекте освещенности и динамического диапазона нами не рассматривались и естественно на качество видеотракта не влияют.

Теперь о самом главном - контраст.

При построении тракта системы видеонаблюдения используется самое разнообразное оборудование. Простейший видеотракт состоит из объектива, видеокамеры и монитора. У более сложных видеотрактов между видеокамерой и монитором могут быть включены матричные коммутаторы, платы видеозахвата и многое другое.
Основная задача любого видеотракта - это передать на монитор изображение максимально высокого качества, при этом внеся в видеосигнал минимум искажений. Другими словами, все, что находится в поле зрения объектива, должно быть в точности отражено на мониторе.
Но каждый элемент в видеотракте привносит в видеосигнал искажения, которые накапливаются и в итоге уменьшают контраст и, как следствие, ухудшают качество картинки на мониторе. Контраст, а точнее его ухудшение при прохождении видеосигнала от объектива до монитора и будет характеризовать весь видеотракт. Если видеотракт существенно ухудшает контраст относительно его исходного значения, то надеяться на хорошее изображение на мониторе не приходится.
Поэтому контраст в системах видеонаблюдения - это не случайная величина, а вполне конкретный показатель качества видеотракта и всего оборудования, которое в нем установлено.

Для того чтобы оценить видеотракт с точки зрения того, как он ухудшает исходный контраст, измеряют зависимость величины контраста от размеров элементов изображения. Для этого используют специальную тест-таблицу (мира, рис. 4) с убывающими по ширине вертикальными штрихами с контрастом между белым и черным, равным единице.
Эту миру размещают перед объективом, а по изображению на мониторе оценивают, как видеотракт исказил контраст и какое предельное разрешение он в результате имеет. Вид миры после прохождения через видеотракт показан на рисунке 5. Сверху изображена исходная мира, внизу эта же мира, но прошедшая через видеотракт. Хорошо видно, как на нижней половине рисунка 5 падает контраст между черным и белым по мере увеличения частоты следования черных и белых полос (пространственная частота), а на высоких пространственных частотах полосы сливаются, превращаясь в серый фон. Вот по этой мире и строят зависимость, которая называется функцией передачи модуляции (ФПМ). Модуляция - это одна из разновидностей контраста, но в этой статье я не буду останавливаться на их принципиальной разнице, хотя для систем видеонаблюдения нужно использовать не модуляцию, а контраст, так как модуляция искажает физический смысл работы с изображением в системах видеонаблюдения.
Продолжение статьи
А. Гонта
Журнал "Алгоритм Безопасности" № 5, 2006 год.



HD-SDI видеокамеры

Внешний вид AN4-43V12Si-L Внешний вид AN4-43V12Si-L
Уличная HD-SDI видеокамера
цветная с ИК подсветкой
4 000

Производитель Axycam
Внешний вид AN-43V50SI-L Внешний вид AN-43V50SI-L
Уличная HD-SDI видеокамера
цветная с ИК подсветкой
10 500

Производитель Axycam
Внешний вид ED-71V12SI Внешний вид ED-71V12SI
ED-71V12SI Купольная HD-SDI камера
12 960

Производитель Expert
Внешний вид EN10-72B3.6SI-T Внешний вид EN10-72B3.6SI-T
EN10-72B3.6SI-T Уличная HD-SDI камера
13 000

Производитель Expert
Внешний вид EN10-72V12SI-T Внешний вид EN10-72V12SI-T
EN10-72V12SI-T Уличная HD-SDI камера
17 680

Производитель Expert
Внешний вид AD1-43B3.6SIW Внешний вид AD1-43B3.6SIW
Купольная HD-SDI видеокамера
цветная с ИК-подсветкой
Доступно: 37 шт.
4 700

Производитель Axycam
Внешний вид AN5-43B3.6Si Внешний вид AN5-43B3.6Si
Уличная HD-SDI видеокамера
цветная с ИК подсветкой
Доступно: 38 шт.
4 900

Производитель Axycam
Внешний вид AD7-43V12SI Внешний вид AD7-43V12SI
Купольная HD-SDI видеокамера
пластиковая 1/3" Sony 2.1 Mp
Доступно: 18 шт.
6 500

Производитель Axycam
Внешний вид AS4-43Z20-AT Внешний вид AS4-43Z20-AT
Высокоскоростная поворотная HD-SDI видеокамера
77 937

Производитель Axycam
Внешний вид AS4-43Z20I-AT Внешний вид AS4-43Z20I-AT
Высокоскоростная поворотная HD-SDI видеокамера
80 583

Производитель Axycam
Найдено товаров: 48
1 2 3 4 5

Возврат к списку

Создание проекта системы видеонаблюдения всего за несколько минут;
Все РЕАЛЬНО: в т.ч. сектора наблюдения, параметры кабельных трасс;
Загрузка готовых планов и их масштабирование;
Спецификация обрудования и смета создается автоматически;
Дружелюбный интерфейс;
Индивидуальные настройки программы и оборудования.
Техподдержка встроена непосредственно в программу.
Регистрация занимает одну минуту.

ОТ ЗАПРОСА ДО ОФОРМЛЕННОГО ПРЕДЛОЖЕНИЯ - 15 МИНУТ